阅读说明：本技术 一种多尺度复合结构件材料及其制造方法 (Multi-scale composite structural member material and manufacturing method thereof ) 是由 张建设 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多尺度复合结构件材料及其制造方法,所述复合结构件材料由外壳(1)和壳内所填充的多组分多尺度料体组成；所述外壳(1)的材质为钢合金、铝合金、镁合金、锂合金或高分子材料中的一种；所述多组分多尺度料体包括：陶瓷颗粒、助流剂(4)和粘结剂(5)。所述复合结构件材料的制造方法主要步骤是：筛分陶瓷颗粒、助流剂和粘结剂,均匀混合由陶瓷颗粒、助流剂(4)和粘结剂(5)组成的料体,调节料体的含水率,填装料体至外壳(1),干燥和振实填装后的料体,最后进行热固化。本发明与制备精密力学结构件常规材料例如钢合金相比,显著改善了材料的比强度和比刚度等关键性指标。(The invention discloses a multi-scale composite structural member material and a manufacturing method thereof, wherein the composite structural member material consists of an outer shell (1) and a multi-component multi-scale body filled in the shell; the shell (1) is made of one of steel alloy, aluminum alloy, magnesium alloy, lithium alloy or high polymer material; the multi-component multi-scale body comprises: ceramic particles, a flow aid (4) and a binder (5). The manufacturing method of the composite structural member material mainly comprises the following steps: sieving the ceramic particles, the flow aid and the binder, uniformly mixing a material body consisting of the ceramic particles, the flow aid (4) and the binder (5), adjusting the water content of the material body, filling the material body into a shell (1), drying and compacting the filled material body, and finally performing heat curing. Compared with the conventional material for preparing the precise mechanical structural member, such as steel alloy, the invention obviously improves the key indexes of the material, such as specific strength, specific rigidity and the like.)

一种多尺度复合结构件材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种多尺度复合结构件材料及其制造方法。

技术背景

用于制备精密力学结构件的材料通常要求具有高的力学强度和力学刚度，在车辆、船舶、运载火箭、航空航天器等移动性装备上往往还要求这些材料具有尽可能小的质量密度，结合来看，则是要求材料的比强度和比刚度指标足够高。钢合金尽管是一种常用的力学结构件材料，但是其比刚度和比刚度并不突出。近年来，碳纤维复合材料获得了快速发展，其比强度和比刚度分别已达到钢的10倍和4倍以上，在一些应用场景下碳纤维复合材料取代了钢合金。然而需要指出的是，碳纤维复合材料的生产工艺仍较为复杂，其高昂的制造成本限制了它规模化的应用。另一方面，工程陶瓷如碳化硅等是高比压缩强度和高比刚度的材料，其比压缩强度和比刚度指标甚至优于碳纤维复合材料，但是工程陶瓷的断裂韧性较差，并且用于制备精密结构件的生成工艺也十分昂贵，因此精密陶瓷结构件产品也十分罕见。综合来看，目前市场上仍然缺乏能同时兼顾比强度高、比刚度高和制造成本低等特点的精密力学结构件材料。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供了一种多尺度复合结构件材料及其制造方法，以解决市场上仍然缺乏能同时兼顾比强度高、比刚度高和制造成本低等特点的精密力学结构件材料问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：提供一种多尺度复合结构件材料，所述复合结构件材料由外壳1和壳内所填充的多组分多尺度料体组成；所述外壳1的材质为钢合金、铝合金、镁合金、锂合金或高分子材料中的一种，所述外壳1的外形轮廓和精密尺寸由常规精密加工设备加工而获得；所述多组分多尺度料体包括：陶瓷颗粒、助流剂4和粘结剂5，所述料体中陶瓷颗粒体积含量60-99％、助流剂体积含量0-10％、粘结剂体积含量1-40％。

进一步地，本发明所述陶瓷颗粒为碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化镁和二氧化硅中的一种颗粒或多种混合颗粒。

进一步地，本发明所述陶瓷颗粒的粒径范围为0.01-200微米，粒径分布至少存在两个等级，其中粒径等级大的颗粒2所占体积含量为5-50％，粒径等级小的颗粒3所占体积含量为50-95％，粒径等级大的颗粒2的平均粒径是粒径等级小的颗粒3的平均粒径三倍以上。

进一步地，本发明所述助流剂4为石墨粉、滑石粉、硅胶粉和硬脂酸钠粉中的一种或多种混合粉体。

进一步地，本发明所述助流剂4的粉体粒径范围为0.01-200微米。

进一步地，本发明所述粘结剂5为环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂和铝粉中的一种粉体或多种混合粉体。

进一步地，本发明所述粘结剂5的粉体粒径范围为0.01-200微米。

进一步地，本发明所述复合结构件材料的制造方法包括：

1)利用筛分装置对陶瓷颗粒、助流剂4和粘结剂5进行筛分；

2)利用混料装置对筛分后选取的陶瓷颗粒、助流剂4和粘结剂5进行混合，混合时间1-24小时；

3)在含水率调节装置中对混合后的料体进行含水率调节，体积含水率控制在0-5％范围；

4)把上述粉体填装至结构件外壳1的空腔中，直至填满；

5)把上述填装料体的结构件放入干燥装置中进行干燥；

6)使用振实装置对干燥后的结构件进行振实操作；

7)对振实后的结构件进行热固化工艺操作；

进一步地，本发明所述方法的热固化工艺至少分为三段：第一段是从室温升至90～100℃，保温10～30min；第二段是继续升温至110～200℃，保温1.0～2.0h；第三段是从110～200℃降温至30～60℃。

有益效果：

1、与制备精密力学结构件常规材料例如钢合金相比，本发明显著改善了材料的比强度和比刚度等关键性指标。

2、与制备精密力学结构件的碳纤维复合材料相比，本发明显著降低生产工艺复杂度，大幅降低了生产成本。

3、与工程陶瓷材料相比，本发明显著提高了断裂韧性，降低生产工艺复杂度，同时保障了所制备的力学结构件具有高精度的外形尺寸。

附图说明

图1为本发明中具有异型外形的多尺度复合结构件材料的构造示意图

附图标记：1-复合结构件材料外壳；2-大粒径陶瓷颗粒；3-小粒径陶瓷颗粒；4-粘结剂颗粒；5-助流剂颗粒；

图2为本发明中具有棒型外形的多尺度复合结构件材料的构造示意图

附图标记：1-复合结构件材料外壳；2-大粒径陶瓷颗粒；3-小粒径陶瓷颗粒；4-助流剂颗粒；5-粘结剂颗粒；

图3为本发明多尺度复合结构件材料的制造流程图

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供一种多尺度复合结构件材料，所述复合结构件材料由外壳1和壳内所填充的多组分多尺度料体组成；所述外壳1的材质为钢合金、铝合金、镁合金、锂合金或高分子材料中的一种，所述外壳1的外形轮廓和精密尺寸由常规精密加工设备加工而获得；所述多组分多尺度料体包括：陶瓷颗粒、助流剂4和粘结剂5，所述料体中陶瓷颗粒体积含量60-99％、助流剂体积含量0-10％、粘结剂体积含量1-40％。

本发明所述陶瓷颗粒为碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化镁和二氧化硅中的一种颗粒或多种混合颗粒。

本发明所述陶瓷颗粒的粒径范围为0.01-200微米，粒径分布至少存在两个等级，其中粒径等级大的颗粒2所占体积含量为5-50％，粒径等级小的颗粒3所占体积含量为50-95％，粒径等级大的颗粒2的平均粒径是粒径等级小的颗粒3的平均粒径三倍以上。

本发明所述助流剂4为石墨粉、滑石粉、硅胶粉和硬脂酸钠粉中的一种或多种混合粉体。

本发明所述助流剂4的粉体粒径范围为0.01-200微米。

本发明所述粘结剂5为环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂和铝粉中的一种粉体或多种混合粉体。

本发明所述粘结剂5的粉体粒径范围为0.01-200微米。

本发明复合结构件材料的制造方法如图3所示，包括：

1)利用筛分装置对陶瓷颗粒、助流剂4和粘结剂5进行筛分；

2)利用混料装置对筛分后选取的陶瓷颗粒、助流剂4和粘结剂5进行混合，混合时间1-24小时；

3)在含水率调节装置中对混合后的料体进行含水率调节，体积含水率控制在0-5％范围；

4)把上述料体填装至结构件外壳1的空腔中，直至填满；

5)把上述填装料体的结构件放入干燥装置中进行干燥；

6)使用振实装置对干燥后的结构件进行振实操作；

7)对振实后的结构件进行热固化工艺操作。

本发明所述方法的热固化工艺至少分为三段：第一段是从室温升至90～100℃，保温10～30min；第二段是继续升温至110～200℃，保温1.0～2.0h；第三段是从110～200℃降温至30～60℃。

本发明描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。